Small: 通过氧氮共掺杂在石墨相氮化碳纳米片上构建内建电场以增强其光催化产氢性能

能源技术的利用水平,在一定程度上代表着一个社会的发展水平。被称之为“梦之能源”的氢能,作为一种可再生的清洁能源,其开发和利用已经成为当今社会关注和研究的热点。光催化水分解产氢,作为一种有效的将太阳能转化为氢能的手段,代表着氢能源取代不可再生的化石燃料的可能性。石墨相氮化碳(g-C3N4),以其低廉的原料成本、简单的合成方法和高的可见光光催化产氢效率,受到人们的广泛关注。然而,g-C3N4的光催化产氢效率距离其商业化应用还有很大的距离。光催化产氢过程基本可以分为三步:首先光催化剂吸收光能产生电子空穴对,接着电子空穴对分离,分离之后的光生电子和光生空穴分别迁移到催化剂表面,最后光生电子还原水产生氢气,而光生空穴氧化水产生氧气。但是,在整个催化反应过程当中,一部分的光生电子空穴对并没有参与催化剂表面的氧化还原反应,而是又重新复合,释放能量。这大大降低了光能向化学能的转化效率。因此,阻止光生电子空穴对的复合,是一种提升光催化性能的有效手段。

中山大学材料科学与工程学院杨国伟教授研究组闫波博士,通过氧氮共掺杂,在g-C3N4纳米片内构建内建电场,从而显著增强了其光生电子空穴对的分离效率,进而显著增强了其光催化产氢性能。研究成果以“Constructing Built-in Electric Field in Ultrathin Graphitic Carbon Nitride Nanosheets by N and O Codoping for Enhanced Photocatalytic Hydrogen Evolution Activity”为题,在线发表在Small(DOI:10.1002/smll.201905700)上。

通过简单的两步煅烧法,研究者制备出了超薄的氧氮共掺杂g-C3N4纳米片。研究结果表明,相比于体相材料,超薄的纳米片状结构,不但能够提供更多的、能够有效接触反应介质的催化活性位点,而且还能够降低光生电子和空穴的迁移路程,使得光生电子和空穴更易于参与反应而不是复合。另外,DFT计算也证明了氮氧杂原子对g-C3N4电子结构的影响。计算表明,氮氧杂原子的引入,明显改变了原来g-C3N4的电荷分布。g-C3N4上电荷的重新分布在g-C3N4纳米片上引入了一个内建电场。时间相关单光子计数(TCSPC)结果表明,内建电场明显增强了光生电子空穴对的寿命,减少了光生电子和空穴的复合。光催化实验结果也表明,氧氮共掺杂的g-C3N4纳米片相比g-C3N4本体材料拥有更高的光催化产氢性能。研究者相信,此方法可以推广到其它的光催化体系,以增强光生电子和空穴的转移和分离,从而提升光催化剂的光催化析氢性能。